药学物理原子物理精品文稿.ppt
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1、药学物理原子物理第1页,本讲稿共54页核历史核历史核历史核历史点滴点滴点滴点滴玛丽玛丽玛丽玛丽 居里以自己的勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了杰出的贡献,是居里以自己的勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了杰出的贡献,是居里以自己的勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了杰出的贡献,是居里以自己的勤奋和天赋,在物理学和化学领域,都作出了杰出的贡献,是唯唯唯唯一一位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的著名科学家。一一位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的著名科学家。一一位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的著名科学家。一一位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的著名科学家。发现放射
2、性元素钋发现放射性元素钋发现放射性元素钋发现放射性元素钋(Po)(Po)和镭和镭和镭和镭(Ra)(Ra)。第十四章第十四章 原原 子子 核核最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性,标志着原子核物理学的最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性,标志着原子核物理学的最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性,标志着原子核物理学的最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性,标志着原子核物理学的开端。因此开端。因此开端。因此开端。因此他和居里夫妇共同获得他和居里夫妇共同获得他和居里夫妇共同获得他和居里夫妇共同获得19031903年的诺贝尔物理学奖年
3、的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖。19521952年年年年1010月月月月3131日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸,核日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸,核日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸,核日,世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸,核当量高达当量高达当量高达当量高达10001000万吨,相当于万吨,相当于万吨,相当于万吨,相当于700700枚广岛原子弹,把一个直径枚广岛原子弹,把一个直径枚广岛原子弹,把一个直径枚广岛原子弹,把一个直径1.61.6公里的小岛活生生地炸公里的小岛活生生地炸公里的小岛
4、活生生地炸公里的小岛活生生地炸没了,燃起火球直径就超过了没了,燃起火球直径就超过了没了,燃起火球直径就超过了没了,燃起火球直径就超过了5 5公里。公里。公里。公里。19671967年年年年6 6月月月月1717日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日,我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。19641964年年年年1010月月月月1616日,中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。日,中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。日,中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。日,中国第一次将原
5、子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。第2页,本讲稿共54页 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素 核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振 本本 章章 要要 点点第十四章第十四章 原原 子子 核核第3页,本讲稿共54页第一节 原子核的结构和基本性质一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量1.原子核的电荷数原子核的电荷数(nuclear charge)Z:原子序
6、数原子序数(nuclear number)Z:2.核子核子(nucleon):组成原子核的质子和中子组成原子核的质子和中子.原子质量单位原子质量单位(atomic mass unit)u3.原子核的质量和质量数原子核的质量和质量数A:质子质子(proton):中子中子(neutron):原子核的质量的近似:原子核的质量的近似:第4页,本讲稿共54页4.核素核素(nuclide):一类具有确定的质子数、核子数和能量状态一类具有确定的质子数、核子数和能量状态的中性原子称为核素。用符号的中性原子称为核素。用符号 或或 。同位素同位素(isotope):同一种元素的核内可以含有多种核子数,即同一种元素
7、的核内可以含有多种核子数,即它们具有它们具有相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同,它们在元素周期表占据它们在元素周期表占据同一位置同一位置,具有相同的化学性质。如氢的同位素具有相同的化学性质。如氢的同位素 。同量异位素同量异位素(isobar):质量数相同,质子数不同质量数相同,质子数不同质量数相同,质子数不同质量数相同,质子数不同的一类核数。的一类核数。如如 。同核异能素同核异能素(isomer):质量数和质子数都相同而处在不同能量质量数和质子数都相同而处在不同能量状态的一类核数。如状态的一类核数。如 。同中子异位素同中子异位素(i
8、sotone):中子数相同,质子数不同中子数相同,质子数不同中子数相同,质子数不同中子数相同,质子数不同的一类核数。的一类核数。如如 。第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第5页,本讲稿共54页1.1.质量亏损质量亏损质量亏损质量亏损(mass defect):(mass defect):2.2.结结结结 合合合合 能能能能(binding energy):(binding energy):二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第6页,本讲稿
9、共54页3.3.比结合能比结合能比结合能比结合能(specific binding energy):(specific binding energy):物理意义:物理意义:若把一个核子放入原子核里,则平均释放能量若把一个核子放入原子核里,则平均释放能量。反之若从核内。反之若从核内取出一个核子,则需要克服原子核对核子的引力平均做功取出一个核子,则需要克服原子核对核子的引力平均做功 。因此,。因此,越大,越大,表示核子间结合得越紧密,表示核子间结合得越紧密,的大小可以作为核稳定性的量度。的大小可以作为核稳定性的量度。自然界中各种核的结合能相差甚大,但自然界中各种核的结合能相差甚大,但比结合能却相差
10、不大比结合能却相差不大,如下页图。如下页图。重核裂变:重核裂变:重核裂变:重核裂变:原子弹、原子能反应堆等原子弹、原子能反应堆等轻核聚变:轻核聚变:轻核聚变:轻核聚变:氢弹等氢弹等第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第7页,本讲稿共54页第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第8页,本讲稿共54页1.1.原子核的大小原子核的大小原子核的大小原子核的大小:原子核的密度原子核的密度:核半径比原子半径小核半径比原子半径小106倍。豌豆粒大小的核倍。豌豆粒大小的核(mm),其原子半径约为,其原子半径约为 km。普通物质的密度普通物质的密度:三、原子核的基本性质
11、三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第9页,本讲稿共54页核力:核子之间存在的一种短程强吸引力。核力:核子之间存在的一种短程强吸引力。(1)核力是一种短程力;)核力是一种短程力;(2)核力与电荷无关;)核力与电荷无关;(3)核力是具有饱和性的交换力。)核力是具有饱和性的交换力。2.2.核力核力核力核力(nuclear force)(nuclear force)第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第10页,本讲稿共54页第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 有些核素的
12、原子核是不稳定的,能自发地放出由某些离子组成的射有些核素的原子核是不稳定的,能自发地放出由某些离子组成的射线后变为另一种核素,这类核素称为线后变为另一种核素,这类核素称为放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素。如铀,钚等元素周期表中序数较大的元素。放射性,核衰变。如铀,钚等元素周期表中序数较大的元素。放射性,核衰变。衰变的类型衰变的类型衰变的类型衰变的类型 粒子:粒子:核核 粒子:电子;粒子:电子;+粒子:正电子粒子:正电子 光子:能量高于光子:能量高于X射线射线守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和
13、核子数。守恒规律:电荷数、质量数、能量、动量和核子数。第11页,本讲稿共54页第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第12页,本讲稿共54页1.1.衰变衰变衰变衰变:(1)衰变:衰变:质量数质量数A209的放射性核素自发地放射的放射性核素自发地放射 射线而变成射线而变成 另一种核素的现象。另一种核素的现象。(2)衰变过程式衰变过程式:(3)衰变位移法则:衰变位移法则:子核子核Y比母核比母核X 电荷数减少电荷数减少2,核子数减少,核子数减少4,在,在 元素周期表要前移元素周期表要前移2位。位。(4)(4)衰变纲图:衰变纲图:一、一、一、一、放射性衰变放射性衰变放射性衰变放
14、射性衰变第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第13页,本讲稿共54页2.2.衰变衰变衰变衰变(2)衰变:衰变:(3)+衰变:衰变:(4)电子俘获:电子俘获:(1)衰变:衰变:放射性核素自发地放射放射性核素自发地放射 射线(高速电子)射线(高速电子)或俘获轨道电子而变成另一种核素的现象。或俘获轨道电子而变成另一种核素的现象。(5)俄歇电子俄歇电子(Auger electron):一个内层电子被俘获后,外层电子会立一个内层电子被俘获后,外层电子会立即填补这一空位,同时释放能量。这个能量可以发射标识即填补这一空位,同时释放能量。这个能量可以发射标识X射线射线的形式放出,也可
15、以使另一外层电子电离成为自由电子。这种被电的形式放出,也可以使另一外层电子电离成为自由电子。这种被电离的电子称为俄歇电子。离的电子称为俄歇电子。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第14页,本讲稿共54页(6)能谱图:能谱图:由于由于 衰变过程中有中微子参与,衰变所放出的能量将在电子、中衰变过程中有中微子参与,衰变所放出的能量将在电子、中微子和子核之间任意分配,因此微子和子核之间任意分配,因此 射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的。N 粒子动能粒子动能 Emax E峰值峰值 粒粒子子数数第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、
16、衰变规律、核反应第15页,本讲稿共54页(1)衰变衰变:同核异能跃迁同核异能跃迁.(2)内转换内转换:在某些情况下在某些情况下,原子核从激发态向低能级的激发态或基态原子核从激发态向低能级的激发态或基态跃迁时跃迁时,不是通过放出光子不是通过放出光子,而是通过核外电子发生能量交换把能量交而是通过核外电子发生能量交换把能量交给电子给电子,使其脱离原子的束缚成为自由电子使其脱离原子的束缚成为自由电子内转换电子内转换电子内转换电子内转换电子。(3)内转换过程中内转换过程中,由于释放电子而在原子的内壳层出现空位,外层由于释放电子而在原子的内壳层出现空位,外层电子将会填充这个空位而发射标识电子将会填充这个空
17、位而发射标识X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。3.3.衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第16页,本讲稿共54页(4)衰变纲图:衰变纲图:第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第17页,本讲稿共54页1.1.核衰变规律核衰变规律核衰变规律核衰变规律:2.2.半衰期半衰期半衰期半衰期(half life):(half life):积分得:积分得:为衰变常数为衰变常数(decay constant):表示一个原子核单位时间内发生衰表示一个原子核单位时间内发生衰变的概率。变的概率。OtN123二、衰变
18、规律二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第18页,本讲稿共54页3 3有效半衰期有效半衰期有效半衰期有效半衰期(effective half life period)(effective half life period)4 4平均寿命平均寿命平均寿命平均寿命(mean life time)(mean life time)半衰期、平均寿命与衰变常数的关系:半衰期、平均寿命与衰变常数的关系:第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第19页,本讲稿共54页5.5.放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度(radio
19、activity)(radioactivity)单位:单位:1Bq=1核衰变核衰变/秒秒 1Ci(居里居里)=3.7 1010 Bq 放射源单位时间内发生衰变的母核数,称为放射性活度。放射源单位时间内发生衰变的母核数,称为放射性活度。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第20页,本讲稿共54页入入射射粒粒子子靶靶 核核反反 冲冲 核核反应能:反应能:Q=EY+Eb Ea反应后质量亏损:反应后质量亏损:m=(mX+ma)(mY+mb)反应能:反应能:E=mc2,m0,放出能量;,放出能量;m0,吸收能量。,吸收能量。三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反
20、应(artificial nuclear reaction)(artificial nuclear reaction)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第21页,本讲稿共54页1.1.中子核反应中子核反应中子核反应中子核反应 (n n,),(),(n n,p p),(),(n n,),(),(n n,2n2n)2.2.质子核反应质子核反应质子核反应质子核反应 (p p,),(),(p p,n n),(),(p p,)3.3.氘核的核反应氘核的核反应氘核的核反应氘核的核反应 (d d,p p),(),(d d,n n),(),(d d,),(),(d d,3 3HH)
21、,(d,),(d,2n2n)4.4.粒子的核反应粒子的核反应粒子的核反应粒子的核反应(,p p),(),(,n n)5.5.光致光致光致光致核反应核反应核反应核反应 (,n n)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第22页,本讲稿共54页照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量;照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量;照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量;照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量;测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生的电离效应,
22、即测量的电离效应,即测量X射线和射线和 射线在单位质量空气中产生的正射线在单位质量空气中产生的正(或负)离子电量来表征(或负)离子电量来表征X射线和射线和 射线的照射量。射线的照射量。单位:单位:C/kg或伦琴或伦琴(R);1R=2.58104 C/kg第三节第三节 放射性核素放射性核素一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量(irradiation dose)(irradiation dose)1.1.照射剂量照射剂量照射剂量照射剂量 (exposure dose)(exposure dose)第23页,本讲稿共54页吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收的电离能量;吸收剂量是被
23、照射物质单位质量所吸收的电离能量;它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少的一个物理量。它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少的一个物理量。单位:单位:J/kg或戈瑞或戈瑞(Gy);1 Gy=1 J/kg;拉德拉德(rad);1 Gy=100 rad2.2.吸收剂量吸收剂量吸收剂量吸收剂量 (absorbed dose)(absorbed dose)第三节第三节 放射性核素放射性核素第24页,本讲稿共54页生物体内单位质量的组织,从各种射线中吸收同样多能量,生物体内单位质量的组织,从各种射线中吸收同样多能量,所产生的生物学效应有很大差别,这是因为射线对细胞的损所产生的生物学效应有很大差别
24、,这是因为射线对细胞的损伤,不但与它吸收的能量和产生的离子有关,还与电离的密集伤,不但与它吸收的能量和产生的离子有关,还与电离的密集程度有关。书中程度有关。书中表表14-4 是射线的是射线的RBE。单位:希沃特单位:希沃特(Sv)3.3.生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量第三节第三节 放射性核素放射性核素第25页,本讲稿共54页 由由表表14-4可可知知,粒粒子子的的RBE=20,粒粒子子的的RBE=1,所所以以甲甲的的肺肺组组织织受到的等效剂量为:受到的等效剂量为:2 10 3 20=4.0 10 2 Sv
25、 同理同理,乙的肺组织受到等效剂量为:乙的肺组织受到等效剂量为:1 10 3 20+1 10 3 1=2.1 10 2 Sv 相比之下,甲受到的辐射影响比乙大。相比之下,甲受到的辐射影响比乙大。例例 有有甲甲、乙乙两两人人,甲甲的的肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为2mGy.乙乙的的肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为1mGy,同同时时还还受受到到 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量也也为为1mGy。试比较这两人所受射线影响的大小。试比较这两人所受射线影响的大小。例例例例例例解解解解解解第三节第三节 放射性核素放射性核素第26页,本讲稿共54页(1)最
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